高通量筛选生物钟与生理性节律偶联的节点基因

Circadian clocks regulates 24-hour rhythms of mammalian physiological systems to adapt to cyclic factors in the environments, especially in responding to light/dark cycles. Desynchronized circadian clock and physiological rhythms can induce the onset of diseases. However, the questions concerning how circadian clock synchronize physiological rhythms are still poorly understood, largely due to lack of biomarkers and the costs of model organisms. Here, we determined the onset time and peak phase of activity rhythms as the reliable and quantifiable biomarkers based on analysis of parameters of indirect calorimetry from more than 1200 C57BL/6N mice. Then, we developed algorithms to realize large-scale screening in taking advantage of international mouse phenotyping consortium (IMPC) resources. We identified Slc7A11 and Oxtr genes from 515 unselected mutant strains for change in the onset and phase shifts of activity/food intake by validation. This project will continue to screen new candidate gene from food intake/oxygen consumption dataset, and to further identify the function of new gene in coordinated circadian clcok and physiological rhythms by cell and mouse model. Using screening and functional analysis, we will expand the knowledge of molecular mechanisms of how circadian clock in the organisms are entrained with the environments.

生物钟广泛调控哺乳动物的各个生理系统按照一定的时相协同运作，以更好的适应外界环境近24小时的昼夜节律变化。生物钟与生理性节律的解偶联（去同步化）将导致机体生物钟与环境的去同步化从而诱导多种疾病。然而，关于生物钟如何与生理性节律偶联知之甚少，主要是由于生理性节律的标志物（biomarkers）的缺乏以及模式动物的成本之高。我们前期利用国际小鼠表型分析联盟（IMPC）代谢笼检测中的活动数据组，确定了可靠、可量化的biomarkers，相位和起跳点，用于筛选生物钟与生理性节律解偶联的基因。同时，利用算法开发了有效的大规模分析方法，从515个基因突变小鼠活动数据组中筛选出Slc7a1,Oxtr等候选基因。本项目将对IMPC代谢笼检测中的进食、氧耗数据组进行筛选分析，通过体外细胞模型以及基因突变小鼠，分析确定生物钟与生理性节律偶联的节点基因。本项目的开展将扩展机体生物钟与环境同步化的分子环路。

昼夜节律与外界环境同步是机体维持生理平衡的重要因素，昼夜节律失同步是许多疾病的风险因子。因此，寻找调控昼夜节律与外界环境同步化的因素，定义昼夜节律失同步与疾病间的关联，已成为目前生物钟领域亟需解答的问题。本项目围绕基础研究以及临床应用两个方面展开：1）利用国际小鼠表型分析联盟（IMPC）代谢笼检测中的活动数据组，确定了可靠、可量化的biomarkers：相位和起跳点，我们从750个突变小鼠中筛选出5个候选去同步化基因，并通过体内、体外两个系统以及光线等环境牵引，确定了Slc7a11虽然不是核心钟所需，但可以通过调控SCN同步化因子来调控昼夜节律。2） 优化已建立的针对时间序列数据的分析方法，在临床应用方面，结合人体的动态心电图为临床数据，通过综合性生物节律分析策略，确定了心率昼夜节律和心血管疾病的相关性。本项目证明高通量分析方法在生物钟研究中具有广泛的可行性，将为今后生物钟领域的大数据分析提供相应的参考和借鉴。